Kurşun zirkonat ince filmler

2.2.5.1. Kurşun zirkonat filmlerin genel özellikleri ve elde edilmesi

İnce filmler genel bir tanımla 1 µm’nin altında kalınlığa sahip olan ve kullanım alanına göre seçilen altlıklar üzerinde çeşitli yöntemlerle elde edilen malzemelerdir. İnce filmler kullanılan malzemeye bağlı olarak birçok kullanım ve uygulama alanına sahiptirler. İnce filmlerin kullanıldığı yerlerin en önemlileri: optik kaplamalar, algılayıcılar, düz panel ekranlar, mikro-elektro mekaniksel sistemler, mikro devreler, biomedikal aygıtlar, optiksel aletler, mikrodalga iletişim aygıtları, entegre devreler ve mikro elektroniktir. (www.thinfilmtechnologies.com). Günümüz teknolojisinde aygıt boyutları küçüldükçe bu konudaki araştırmalar da fazlasıyla artmıştır. Bu uygulamalarda kullanılacak malzemede yüksek hız, küçük boyut, günümüz aygıtlarına kolaylıkla entegre edilebilirlik gibi özellikler aranmaktadır. Bu nedenle kütlesel malzemeler yerini ince filmlere bırakarak gerekli uyum sağlanmıştır.

İnce filmlerin bu genel özelliklerini ferroelektrik ve antiferroelektrik filmlerin özelinde incelersek; yukarıda açıklananlara ek olarak ince filmlerin diğer bazı avantajları da vardır. Düşük çalışma voltajı, ekonomik üretim, tasarımın entegre devrelere uyumlu olması, nano seviyelerde üretim yapılabilmesi bunlardan bazılarıdır. Ayrıca birçok malzemeyi kütlesel formuna nazaran ince film formunda üretmek göreceli olarak daha kolay olmaktadır. Örneğin ince film formunda üretilen malzemelerin sinterleme sıcaklıkları kütlesel formunda üretimine göre birkaç yüz derece daha düşüktür. Bu da ince filmlerin bir diğer avantajıdır. Özellikle FE ve AFE filmler için düşük üretim sıcaklıkları çok büyük önem arz etmektedir (Haertling, 1991). Sadece antiferroelektrik kurşun zirkonata özgü bir avantaj da ince filmlerin kütlesel formuna göre bir mertebe daha yüksek dielektrik dayanıma sahip olmasıdır. Kütlesel formda PZ’nin bünyesinde kaçınılmaz olarak bulunan kusurlar ve gözenekler malzemenin dielektrik dayanımını düşürmekte ve bu nedenle oda sıcaklığında çift histerisiz eğrisi (~30 kV/cm) görülemeden malzeme dielektrik bozunmaya uğramaktadır. Oysa ince film formunda malzemenin yüksek yoğunluğa sahip olması ve gözenek içermemesi nedeniyle dielektrik dayanımı artmakta ve çift

histerisiz eğrisi gözlenebilecek elektrik alan değerlerine (~300 kV/cm) rahatlıkla ulaşılabilmektedir (Pokharel ve Pandey, 1999).

Ferroelektrik ve antiferroelektrikler, malzemeler ailesinde özel bir yere sahiptirler. Çünkü bu tür malzemeler mekanik, optik, dielektrik, piezoelektrik (zorlama/zorlanmaya bağlı kutuplanma), ferroelektrik (elektrik alana bağlı kutuplanma) ve elektro-optik gibi birçok kullanışlı özelliği bünyelerinde aynı anda barındırırlar. Yani FE veya AFE olan bir malzeme aynı anda birkaç farklı özelliği ile değişik uygulama alanları bulmaktadır. (Haertling, 2001).

Ferroelektrik/antiferroelektrik filmlerin genel olarak elde edilmesini inceleyecek olursak temel olarak üretim yönteminin seçilmesi, kompozisyon (homojenlik ve stokiyometri), altlık seçimi, üretim parametreleri gibi birçok adım söz konusudur. Bu adımlar Şekil 2.10’de ana hatları ile açıklanmaktadır.

AFE ve FE filmler için elde edilecek filme uygun olarak kullanılan birçok altlık mevcuttur ve bu altlıklar malzemeye ve uygulama alanına göre seçilmektedir. Altlık, üzerinde büyüyecek filmin kristalleşme, yönlenme, mikroyapı gibi temel yapısal özelliklerini etkiyen en önemli unsurlardan biridir. Bir altlık seçiminde göz önünde bulundurulacak en önemli hususlar: altlık ve film arasındaki ısıl genleşme uyumluluğu, altlığın kaplama ve sinterleme sıcaklığı ile uyumlu olması, yönlenme için örgü parametreleri eşleşmesi, üretim yöntemi uyumluluğu, altlıkların kolay bulunabilir olması ve fiyatının uygunluğudur (Haertling, 2001). AFE ve FE ince filmlerde en çok kullanılan iki altlık entegre uygulamalar için kullanılan silisyum (Si) ve elektro-optik dalga aygıtlarında kullanılan tek kristal alüminyum oksittir (sapphire). Ayrıca kullanılacak altlıklar belirli özel işlemler sonucu film kaplaması için temizleme işlemi yapılarak hazırlanmalıdır. Bu filmin altlık üzerine çok daha iyi tutunarak homojen olarak kaplanmasını sağlayan bir yöntemdir.

Şekil 2.10: Antiferroelektrik ince filmlerin üretim akım şeması.

Günümüzde ince film üretiminde kullanılan birçok teknik vardır. Öyle ki bir ince filmin uygulama alanı bulacağı yer açısından üretim tekniği de önemli olabilmektedir. FE ve AFE filmler için de günümüzde yüksek kalitede ve özellikle hafıza uygulamaları için istenen incelikte (~50 nm) filmlerin elde edilmesine olanak sağlayacak yöntemler mevcuttur. Bu filmlerin üretiminde kullanılan en popüler yöntemler magnetron sıçratma, sıvı faz epitaksiyel büyütme (LPE), moleküler demet epitaksiyel büyütme (MBE), kimyasal buhar çöktürme (CVD), metal-organik kimyasal buhar çöktürme (MOCVD) ve sol-jel’dir (Hirano ve diğ.,1991).

2.2.5.2. Kurşun zirkonat ince filmlerin uygulama alanları

FE ince filmler 1960’larda çalışılmaya başlanılmasına rağmen yapılan ilk çalışmalarda yüksek dielektrik geçirgenlikli sığaç uygulamaları için başarılı olunamamıştır. 1980’ler de ise hafıza elemanı (RAM) uygulamaları için başlatılan

Üretim Tekniği Seçimi Kompozisyon Seçimi Altlık Seçimi Üretim Koşulları Malzemenin Elde Edilmesi Yüzey Temizliği Depolama Sinterleme Elektrot depolama FİLM Kaplama

araştırmalar hızlanarak günümüzde ticari uygulamaya ulaşılmıştır. Öte yandan kurşun zirkonat esaslı antiferroelektrik ince filmlerin uygulamaları ise bu malzemelerin sahip olduğu özellikler temel alınarak incelenebilir. Antiferroelektriklerin en temel karakteristiği elektrik alan etkisiyle tetiklenen AFE- FE faz dönüşümü sırasında açığa çıkan ve % 0,8’e ulaşabilen şekil değişimidir (Xu ve diğ., 2000b). Piezoelektriklere ve ferroelektriklere kıyasla (~% 0,1) çok daha yüksek olan bu şekil değişimi bu malzemelerin ince film formunda mikroelektromekaniksel sistemlerde mikroeyleyici olarak kullanımına olanak sağlamaktadır. Karesel histerisiz eğrisine sahip antiferroelektrik filmlerde (Şekil 2.1) bu şekil değişimi çok ani gerçekleştiği için dijital mikroeyleyicilerde kullanımı sözkonusu iken, daha ince ve yatık histerisiz eğrilerine sahip antiferroelektrik filmlerde (Şekil 2.1) ise şekil değişimi geniş elektrik alan değerlerine yayıldığı için hassas analog mikroeyleyicilerde kullanımı mümkündür (Berlincourt, 1968; Xu ve diğ., 2000a).

Elektronik devrelerde kütlesel formda veya mikroelektronik entegre devrelerde ince film formunda kullanılan sığaçlar genellikle düşük dielektrik sabitine sahip (er<100)

doğrusal dielektrik malzemelerdir. Fakat aygıtların ve devrelerin küçülmesi daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip sığaçlara ihtiyaç doğurmuştur. Bu ihtiyacı da ancak ferroelektrik ve antiferroelektrik malzemeler (er=100-3000) karşılayabilmektedir.

Ferroelektrik sığaçlar gerilim artarken azalan bir sığaya sahip olma özelliğine sahipken antiferroelektrikler artan gerilime koşut olarak artan bir sığaya sahiptir. Dolayısıyla antiferroelektrikler ferroelektriklere kıyasla çok daha yüksek enerji yoğunluğuyla yük depolama kapasitesine sahiptirler. Buna bağlı olarak da AFE sığaçlar melez entegre güç elektroniğinde yüksek enerji yoğunluğuyla yük depolama kapasitesine sahip küçük boyutlu düşük kayıplı pasif bileşenler olarak, veya anlık gerilim artışlarını sınırlandıran ve devreyi koruyan bileşenler olarak kullanılabilir (Campbell ve diğ., 2002). Bu malzemelerde elektrik alan etkisiyle tetiklenen ferroelektrik faz, alan kaldırıldığında tekrar antiferroelektrik faza dönerken belirli bir kritik elektrik alan değerinde (Ebs) bünyesinde depoladığı bütün kutuplanma yükünü

bir anda boşaltmaktadır ve elektrik alan tümüyle kaldırıldığında bünyesinde hiçbir kutuplanma yükü barındırmamaktadır. Bu özelliği nedeniyle antiferroelektriklerin yüksek enerji depolama sığacı olarak veya anlık akım kaynağı olarak kullanımı da

mümkündür (Bharadwaja ve Krupanidhi, 1999). Ayrıca antiferroelektrik ince filmlerin sahip olduğu enine elektro-optik özellikler ve çift kırıcılık (birefringence) özelliğinin elektrik alan ile değişimi bu malzemelerin entegre elektrooptik aygıtlarda kullanımının da yolunu açmıştır (Wang ve diğ., 1992). Elektrik alan etkisiyle tetiklenen AFE-FE faz geçişinin alan kaldırıldıktan sonra geri dönüşünün ışık yardımıyla durdurulmasını sağlayan fotoferroelektrik etki yardımıyla antiferroelektrik malzemelerde görüntü depolanmasının mümkün olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bu da bu malzemelerin dijital optik hafıza olarak kullanımlarının yolunu açmıştır (Land, 1979).